钢结构焊接残余应力及焊接变形控制 孔令宇

钢结构焊接残余应力及焊接变形控制孔令宇
发表时间：2018-01-04T21:18:43.403Z 来源：《基层建设》2017年第28期作者：孔令宇
[导读] 摘要：焊接是钢结构行业中运用非常广泛的技术，它有其独特的优点，也有着不可避免的缺陷，那就是焊接残余应力及焊接变形。

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摘要：焊接是钢结构行业中运用非常广泛的技术，它有其独特的优点，也有着不可避免的缺陷，那就是焊接残余应力及焊接变形。

钢材零部件在焊接过程中，会造成焊接钢材结构温度不均匀的现象，使钢结构内部存有焊接残余应力，进而导致焊接结构变形、开裂现象。

文章对钢结构焊接中焊接残余应力的产生原因及其所带来的影响进行了具体阐述，并提出了相应的解决措施，以期供本行业工作人员参考。

关键词：钢结构；焊接；应力；变形；控制措施
1 焊接结构残余应力产生的因素
1.1 钢结构材料性能和力学性能产生的焊接残余应力
对钢结构进行焊接过程中，其产生的残余应力主要因素是在加热时受热不均匀，导致焊接后温度呈梯度进行冷却造成的。

其受热不均匀从物理因素层面可概括为以下内容。

对不同材料性质的钢结构零部件进行加工时，由于其金属材料的不同，对温度的感应也必然有不同的反应，进而造成比热容发生变化，使焊接部位组织结构发生相应的变化。

此外，由于焊接部位的密度，热膨胀系数、导热系数、密度等物理因素，同样会造成焊接部位受热不均匀，产生残余焊接应力。

1.2 不同类型焊接热源所产生的残余应力
在焊接的过程中，不同焊接热源的接入也会对焊接残余应力造成不同的影响。

目前，实现金属焊接所需的能量热源包括由电能、机械能、光辐射能及化学能。

其对应产生的焊接热源就是电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源及电子束热源等。

焊接的过程中采用不同的焊接热源，产生的温度场不同，因此产生的焊接残余应力也不同，进而对钢结构产生的变形影响不同。

对钢结构进行加工时，应对不同钢材选取不同的焊接热源，进而减少钢材的变形与炸裂。

1.3 其他原因产生焊接残余应力
除以上两种因素以外，焊接残余应力还可由其他间接因素产生。

如对钢结构进行焊接前，对钢结构器或局部零部件材进行处理，使其进行过轧刹等，都会对焊接过程造成影响，增加焊接残余应力的产生。

在焊接过程中，不仅要考虑焊接钢结构的物理因素，不同焊接热源所产生的影响还应当综合考虑钢结构本身所受过其他方面的影响。

如处理不当，则会对钢结构以下几个方面造成不良的影响。

2 焊接结构残余应力产生的影响
焊接结构残余应力对焊接结构的使用时间的长短有着非常大的影响。

在焊接结构质量的检验中占据着重要的位置，是其重要的影响因素。

焊接残余应力的大小会直接对焊接结构的使用时间的长短产生影响。

如果焊接残余应力的值到达了一定的范围，同时，超出了焊接结构疲劳强度所产生的影响，必定会导致焊接结构不可使用。

对于不同类型的焊接结构来说，稳定性都是至关重要的一项基本需求，同时，还可以为其结构生产提供重要的保障。

当所使用的钢结构的稳定性没有符合相应的标准的时候，非常有可能对焊接结构构成严重的威胁。

焊接残余应力的产生对于焊接部位的影响是非常大的，非常容易使其发生相应的变化，使得焊接部位的稳定性得不到一定的保证，还可能产生更加严重的后果，使得焊接部位大出现变形等现象。

从焊接结构的刚度来说，当构件受到了相应的外力影响的时候，它的外部形态会发生相应的弯曲。

焊接残余应力对焊接结构的表面是不会产生影响的。

在机械生产的过程中，会产生一定的焊接应力，焊接内部结构也处于松散的状态之下，其硬度和刚度都发生了相应的变化，使得内部构造性能也发生了变化，从而对整个的焊接结构产生影响。

3 钢结构焊接变形与焊接应力的分类
3.1 钢结构焊接变形的种类
钢结构焊接变形可以分为两大类，即为面内变形和面外变形。

而面内变形可分为纵向收缩变形、焊缝回转变形及横向收缩变形三小类，面外变形多为弯曲形变、扭曲形变、角形变及失稳波浪形变等。

其中，钢结构多表现为纵向收缩变形和横向收缩变形，而在不同焊件中，这两种变形往往会因焊缝的数量及位置分布不同，表现出其他形式的变形。

3.2 残余应力的分类
在进行焊接冷却后，部分焊件中仍残存未消除的应力。

通常情况下，称此类残存应力为焊接残余应力，根据残余应力的方向区别，将残余应力分为纵向应力、横向应力及沿焊缝厚度方向的残余应力三类别。

4 有效控制大型结构焊接变形的策略
4.1 实现对钢结构焊接变形的合理控制
在钢结构节点构造不同或是焊缝的形式不同的情况下，施工人员要选择合适方法控制焊接变形。

例如，可以选择合适的焊接工艺，尽量采用对称焊接、分段焊等方式。

一般情况下发生变形的焊缝是焊接较早的焊缝，采取对称焊接可以充分减小钢结构焊接的变形程度。

由此可见，施工人员能够均匀布置焊缝，使得每一焊缝都具有另外对称的一个焊缝，且选择焊接方式至关重要。

4.2 选择合理的焊接温度
钢结构焊接变形中的一部分是由于温度不当造成的。

焊接中要控制好温度以减小焊接变形。

如可在焊接缝金属内尽量不造成周围金属遭受影响，完成焊接后必须快速降温，防止金属余温对周围的金属产生影响。

4.3 采取合适的钢结构焊接顺序
要想消除挠曲变形，可以采取上下焊接对角焊接的方式。

4.4 依据用途选择材料
钢结构用途不同，承载重力也会不同。

因此，施工人员要按照钢结构用途选择最佳的材料，并且要按照焊缝位置选择不同熔点金属，缩小钢结构由于焊接导致承载力与熔点的差异出现较大的变形。

5 钢结构焊接变形控制技术要点
5.1 选择焊接材料
焊接车间在选购材料的时候就应该充分的对钢材性能进行充分的调研和分析，结合焊接工件成品最终的性能要求来选择合适的材料，而不应该为了节省施工成本而选择那些劣质和廉价的材料。

5.2 优化焊接过程
在焊接施工过程中，应该尽可能的避免两个焊接工件出现厚度差异过大的现象，焊接材料尽可能的选择一致，给钢结构焊接过程提供优良的初始条件。

在钢结构焊接之前，不仅要进行必要的预热，还应该进行焊接预实验，即调整好电流电压以后，现在闲置材料上进行预实验工作，确保无误以后在进行焊件焊接，避免初始电流过大直接穿透材料。

5.3 加强焊接温度控制
在钢结构焊接施工过程中，严格控制焊接温度，能有效避免产生焊接变形，比如，在对一个焊缝处的金属进行焊接时，应该尽量避免对周边金属造成影响。

焊接施工完成后，应该及时采取有效措施进行降温，避免金属余温对周边金属造成不良影响。

5.4 消除残余变形
在钢结构焊接施工过程中，造成结构发生变形的因素有很多，包括温度、重力、钢结构材料、承载力等等，另外，焊接施工环境以及焊接施工工艺也会对焊接变形造成一定的影响，因此，在焊接施工过程中，必须积极总结经验，并采取有效的预防措施。

加热矫正引起的应力会与焊接应力叠加，同向应力叠加甚至可能会使构件的总应力超过允许应力，从而导致构件承载力增大引起结构破坏。

6 结束语
钢结构焊接质量和结构安全息息相关。

随着科学技术发展，钢结构焊接技术也在不断进步，但仍易遭受温度、环境、湿度等影响出现变形。

施工人员能在焊接中采取有效的措施减少焊接变形，质量也稳步提升。

参考文献：
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[2]李成龙.液压支架立柱缸体焊接变形分析与结构改进[D].辽宁工程技术大学，2014.
[3]王飞.表观缺陷及残余应力对钢管—焊接空心球节点疲劳强度的影响分析[D].太原理工大学，2014.
[4]王妍.考虑焊接条件的无焊孔梁柱节点力学性能研究[D].青岛理工大学，2014.。